EL EFECTO DE LA DISTRIBUCIÓN INHOMOGENEA DEL REFUERZO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE MATERIALES COMPUESTOS J.Segurado, C.Gonzalez y J.LLorca Departamento de Ciencia de Materiales. Universidad Politécnica de Madrid. E. T. S. de Ingenieros de Caminos. 28040, Madrid Resumen. Se ha estudiado el efecto de la inhomogeneidad en la distribución del refuerzo en materiales compuestos de matriz metálica. Para ello se han generado microestructuras con distribuciones aleatorias homogéneas e inhomogéneas de partículas. Las microestructuras inhomogeneas se idealizaron como distribuciones aleatorias e isótropas de regiones esféricas (representando a los clusters) en cuyo interior se concentraron las partículas. Se ha utilizado el método de elementos finitos para obtener las curvas tensión- deformación uniaxial en modelos multipartícula 3D usados como volúmenes representativos de cada material. Los cálculos mostraron una débil influencia de los clusters en el comportamiento macroscópico del material, pero las tensiones medias en las partículas fueron apreciablemente mayores en los materiales inhomogeneos. Mediante el modelo de fractura de Weibull y usando valores experimentales para las propiedades de las fases, se calculó la fracción de partículas rotas en los modelos numéricos. Se observó que la presencia de clusters aumenta de forma drástica (entre 3 y 6 veces) la fracción de partículas rotas. Abstract. The effect of the reinforcement spacial distribution on the mechanical behavior was investigated in model metal-matrix composites. Homogeneous and inhomogeneous micorstructureswere made up. The inhomogeneous ones were idealized as an isotropic random dispersion of spherical regions (which represent the clusters) with the spherical reinforcements concentrated around the cluster center. The uniaxial tensile stress- strain curve was obtained by finite element analysis of 3D multiparticle cubic unit cells, which stood as representative volume elements of each material. The numerical simulations showed that the influence of reinforcement clustering on the macroscopic composite behavior was weak, but the stresses mean stresses in the sphereswere appreciably higher in the inhomogeneous materials that in the homogeneous one. The fraction of broken spheres as a function of the applied strain were computed using a Weibull model with experimental values of the Weibull parameters. It was found that the presence of clustering greatly increased (by factor between 3 and 6) the fraction of broken spheres. 1. INTRODUCCIÓN La optimización de las propiedades mecánicas de materiales compuestos se basa en un conocimiento de la relación entre la microestructura y el comportamiento macroscópico. Esta relación ha sido estudiada mediante modelos micromecánicos más o menos complejos, basados en las propiedades y fracciones volumétricas de cada fase, pudiendo incluir además el efecto de la forma u orientación del refuerzo. Este tipo de modelos no suelen considerar el efecto de la distribución del refuerzo, aunque existe evidencia experimental de que este factor juega un papel determinante en algunas propiedades como el límite elástico , la progresión del daño, la ductilidad, la tenacidad de fractura y la nucleación de grietas por fatiga. Los estudios previos del efecto de las inhomogenidades en las propiedades del compuesto han seguido dos estrategias diferentes. En la primera [1-2] el compuesto inhomogéneo se representa por una red tridimensional de celdas, cada una conteniendo una fracción volumétrica diferente. Las propiedades de cada celda se obtienen mediante las técnicas clásicas de micromecánica de materiales compuestos (celdas unitarias o modelos de campo medio), y el comportamiento global se calcula promediando. Esta aproximación es razonable para predecir el comportamiento macroscópico, pero no proporciona información sobre las tensiones y deformaciones dentro del cluster. La segunda estrategia consiste en una modelización detallada de la microestructura en dos dimensiones, mediante elementos finitos clásicos [3-4] o bien elementos finitos de Voronoi [5] . Con estos modelos se obtiene información sobre los patrones de deformación o el daño en la zona de cluster, pero el uso un modelo bidimensional limita la validez de los resultados cuantitativos obtenidos. En este artículo, las simulaciones tridimensionales del comportamiento elástico [6] y elastoplástico [7] de materiales compuestos reforzados con esferas se extiende para estudiar el efecto de la distribución inhomogénea del refuerzo. Se ha desarrollado un algoritmo para la generación de estructuras no ANALES DE MECÁNICA DE LA FRACTURA Vol. 20 (2003) 355